(57)【要約】  複数の平行フィンと、平行フィンを通過する少なくとも１つのチューブとを含む熱交換器であって、チューブは、熱交換器を通過する空気と熱を交換する流体を運ぶ、熱交換器。平行フィンはそれぞれ、内部に形成された複数の空気偏向部材を含む。各空気偏向部材は、各フィンの平面に対して実質的に直角に曲げられ、また各空気偏向部材は、空気の乱流を増大させ、空気を隣接する平行フィンに衝突させ、熱交換器を横切る空気の流れを平均化し、且つ熱交換器を通る空気の流れの不均衡分布を減少させるように、熱交換器を通過する空気を方向付けるように構成される。
2019529861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器であって、
複数の平行フィンと、
前記平行フィンを通過する少なくとも１つのチューブであって、前記熱交換器を通過する空気と熱を交換する流体を運ぶ少なくとも１つのチューブと
を有する熱交換器において、
前記平行フィンはそれぞれ、内部に形成された複数の空気偏向部材を含み、各空気偏向部材は、各フィンの平面に対して実質的に直角に曲げられており、また各空気偏向部材は、前記熱交換器を通る空気の流れを平均化するように、且つ前記熱交換器を通る空気の流れの不均衡分布を減少させるように、前記熱交換器を通過する空気を方向付ける、熱交換器。
【請求項２】
１つのそれぞれのフィンの前記空気偏向部材が第１の方向に曲げられ、隣接するフィンの前記空気偏向部材が第２の、反対方向に曲げられる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記チューブは複数の、チューブの細長いセクションを含み、前記複数の細長いセクションは、チューブのヘアピンセクションまたは反転屈曲部によって接続されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記空気偏向部材は、チューブの隣接するヘアピンセクションの間に形成される、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記空気偏向部材は、チューブのヘアピン部分によって重ね合わせられている、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記空気偏向部材は、チューブの隣接する細長いセクションの間に形成される、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項７】
それぞれのフィンの空気偏向部材は、隣接する平行フィンの空気偏向部材と互い違いになされている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記空気偏向部材はねじられている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項９】
隣接する平行フィン間の空気の流れは、前記平行フィンの間であちこちに曲がりくねる、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１０】
隣接する平行フィンの間に空気を引き込むためのファンをさらに有する、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項１１】
請求項１に記載の熱交換器を有する蒸発器。
【請求項１２】
熱交換器の製造方法であって、
複数の平行フィンを設けるステップと、
前記複数の平行フィンを通してチューブを送るステップと、
前記チューブを前記平行フィンに固定するステップと
を含み、
複数の平行フィンを設ける前記ステップは、各フィンに複数の空気偏向部材を形成するように各フィンを形成する、プレートを打抜き加工するステップを含み、前記複数の空気偏向部材は、各フィンの平面に対して実質的に直角に曲げられている
熱交換器の製造方法。
【請求項１３】
１つのそれぞれのフィンの前記空気偏向部材が第１の方向に曲げられ、隣接するフィンの前記空気偏向部材が第２の、反対方向に曲げられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記チューブは複数の、チューブの細長いセクションを含み、前記複数の細長いセクションは、チューブの反転屈曲部によって接続されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記空気偏向部材は、チューブの隣接するヘアピンセクションの間に形成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記空気偏向部材は、チューブのヘアピン部分によって重なり合わされている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記空気偏向部材は、チューブの隣接する細長いセクションの間に形成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
それぞれのフィンの前記空気偏向部材は、隣接する平行フィンの空気偏向部材と互い違いになされている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記空気偏向部材はねじられている、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１２に記載の方法に従って製造された熱交換器を有する蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年８月２９日に出願された米国特許出願番号第１５／６８９，５９７号の優先権を主張するものであり、また２０１６年８月３１日に出願された米国仮特許出願番号第６２／３８１，８０２号の利益を主張もするものである。上記出願の全開示が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、フィン改善策を有する熱交換器に関し、この熱交換器は、熱交換器を通る空気流が低いレイノルズ数を示す構成において使用される。
【背景技術】
【０００３】
本節では、必ずしも先行技術ではない本開示に関連する背景情報が提供される。
【０００４】
図１および２に示すように、プレートフィンタイプの従来の熱交換器１０は、一般に、複数の垂直フィン１４を複数の平行チューブ１２を含む。複数の垂直フィン１４は、蒸発器（熱交換器１０）として機能するように複数の平行チューブ１２と熱的に結合されている。吸熱流体が、低い温度および圧力でキャピラリチューブを通して複数の平行チューブ１２内に流し込まれる。その後の流体の蒸発が、蒸発器のチューブに隣接して通過する空気から熱エネルギーを除去し、それにより空気を冷却する。チューブ１２に取り付けられたフィン１４は、空気流が向けられる有効吸熱面積を増大させ、それにより蒸発器の冷却効率を増大させる。小型モータ駆動ファン１６が、蒸発器の吸熱領域にわたって空気を吸引するため、および冷蔵庫の内部に冷却空気を排出するために利用することができる。
【０００５】
しかし、気流の分布は蒸発器の設計とファン１６の配置の両方に影響を受けることを理解すべきである。多くの場合、空気の大部分はファン１６の直下を流れ、熱交換器１０の端部１８ではほとんど流れず、これは熱伝達を低下させる空気流の誤分布をもたらす。この現象は図１に示される。
【０００６】
さらに、蒸発器１０のチューブ１２は蒸発器１０の深さにわたって均等に離間される。しかし、製造および設計の目的のために、そうでないことが多い。その結果、図２に示すようにより大きな間隙をより多くの空気が流れるので、チューブ１２間の不均一な間隙２０は空気流の分布を乱すことになる。この場合、チューブ１２に接触する空気が少なくなり、熱伝達量を減少させる。
【０００７】
さらに、家庭用冷蔵庫は、騒音を考慮して、より低い空気流速度をもたらす小型ファンを利用しており、それらの典型的なレイノルズ数は３００〜１２００の範囲内である。これら小型ファンは圧力損失に非常に敏感であり、圧力損失の増大は空気流をさらに減少させ、これは熱伝達量を低下させる。また、このタイプの空気流では、ルーバー、リップルフィンおよびボルテックスジェネレータの使用などの従来のフィン改善策に最小限の改善が見られる。これらのタイプの改善策は、より高いレイノルズ数を有する構成において最もよく機能する。レイノルズ数は、ＨＶＡＣや商業用冷蔵庫などの多くの用途で使用される乱流の量を表し、次のように定義される。
Ｒｅ＝ρＶＤｈ／μ      （１）
【０００８】
ここで、
ρ＝空気の密度；
Ｖ＝風速；
μ＝空気粘度；また
Ｄｈ＝水力直径
である。水力直径は、
Ｄｈ＝４Ａｆｌｏｗ（ｍｉｎ）Ｌ／Ａｓｕｒｆ
として定義され、ここで、
Ａｆｌｏｗ（ｍｉｎ）＝空気が流れる最小断面積；
Ｌ＝蒸発器の流れ長さ；また
Ａｓｕｒｆ＝空気流に露出する表面積
である。
【発明の概要】
【０００９】
本節は、本開示の一般的な概要を提供するものであり、その全範囲またはそのすべての構成の包括的な開示ではない。
【００１０】
本開示は、複数の平行フィンと、これら平行フィンを通過する少なくとも１つのチューブとを含む熱交換器であって、チューブは、熱交換器を通過する空気と熱を交換する流体を運ぶ、熱交換器を提供する。平行フィンはそれぞれ、そこに形成された複数の空気偏向部材を含む。各空気偏向部材は各フィンの平面に対して実質的に直角に曲げられ、また各空気偏向部材は、より多くの空気が熱交換器に亘って均等にチューブと接触するように、熱交換器を通過する空気を向け直す（再方向付けする）ように構成される。このようにして、中心部を通る空気流の大部分を方向付けるファンによって生じる不均衡分布が、熱交換器全体を通して空気の流れを平均化するように修正され、それにより熱伝達が増加される。
【００１１】
本開示はまた、熱交換器を製造する方法であって、複数の平行フィンを提供するステップと、複数の平行フィンを通してチューブを送るステップと、チューブを複数の平行フィンに機械的に固定するステップとを含み、複数の平行フィンを提供する上記ステップは、各フィンに複数の空気偏向部材を形成するように各フィンを形成する、プレートを打抜き加工するステップを含み、複数の空気偏向部材は、各フィンの平面に対して実質的に直交するように曲げられている、熱交換器の製造方法を提供する。
【００１２】
適用範囲のさらなる領域が、本明細書に提供される説明から明らかになるであろう。発明の概要における説明および特定の例は例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していない。
【００１３】
ここで説明される図面は、選択された実施形態のみを例示することを目的としたものであり、全ての可能な実施形態を示すものではなく、本開示の範囲を限定することを意図しない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の熱交換器の正面透視図である。
【図２】従来の熱交換器の側面透視図である。
【図３】本開示の原理による例示的な熱交換器の正面透視図である。
【図４】本開示の原理による例示的な熱交換器の側面透視図である。
【図５】ルーバーまたはボルテックスジェネレータを用いた従来のシステムによって達成される熱伝達量の向上と比較した、図３および図４に示す例示的な熱交換器によって達成される熱伝達量の向上をグラフで示す図である。
【図６】ルーバーまたはボルテックスジェネレータを用いた従来のシステムによって達成される空気側圧力損失に対する影響と比較した、図３および図４に示す例示的な熱交換器によって達成される空気側圧力損失に対する影響をグラフで示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。
【００１６】
添付の図面を参照して、例示的な実施形態がより十分に説明される。
【００１７】
例示的な実施形態は、この開示が完全であり、そして当業者にその範囲を十分に伝えるように提供される。本開示の実施形態の完全な理解を提供するために、具体的な構成要素、デバイス、および方法の例などの多くの具体的な詳細が示される。具体的な詳細が採用される必要がないこと、例示的実施形態が多くの異なる形態で具現化され得ること、および開示の範囲を限定するように解釈されるべきではないことは当業者に明らかである。いくつかの例示的な実施形態では、公知のプロセス、公知のデバイス構造、および公知の技術は詳細に説明されていない。
【００１８】
図３および図４を参照すると、熱交換器または蒸発器システム５０が概略的に示されている。蒸発器システム５０は、入口５４と出口５６の両方の端部を有するチューブ５２を含む。チューブ５２は、複数の反転屈曲部（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｂｅｎｄ）またはヘアピン６０によって分離された複数の細長いセクション５８を含む蛇行構成に形成されている。細長いセクション５８およびヘアピン６０は、連続チューブ５２を形成するように一体的であってもよく、あるいは細長いセクション５８はヘアピン６０とは別に形成され、続いて互いにろう付け、溶接、または機械的に固定されてもよい。チューブ５２は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、または周囲空気との十分な熱交換を提供する他の何らかの金属または合金材料などの任意の材料で形成することができる。
【００１９】
フィン６２は、チューブ５２と同様なまたは同一の材料で形成された金属プレートである。この点に関して、フィン６２は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、あるいはろう付け、溶接、または機械的にチューブ５２に固定され得るその他の種類の金属または合金材料などの材料で形成することができる。好ましくは、コストのために、フィン６２はアルミニウムのような材料で形成される。チューブ５２の細長いセクション５８がフィン６２を通過することを可能にするために、フィン６２は開口部６４を含むことができる。図３および図４に最もよく示すように、フィン６２はそれぞれ変動プロファイル（ｖａｒｙｉｎｇ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を含み、これは蒸発器システム５０を通過する空気流の混合を劇的に高めること、さらに各フィン６２およびチューブ５２の細長いセクション５８と接触する空気の衝突効果を高めることができる。このようにして、熱交換器５０を通る空気流の不均衡分布は、熱交換器５０を通る空気流を均等に平均化させるように補正される。蒸発器システム５０を通過する空気の流れを助けるために、ファン６３を使用してもよい。
【００２０】
より具体的には、フィン６２はそれぞれ、開口部６４を形成するように、かつ複数の偏向部材またはタブ６６を形成するように打抜き加工（ｓｔａｍｐｉｎｇ）することができる。したがってフィン６２は第１の表面６８と、反対側の第２の表面７０とを含む。空気偏向タブ６６は、フィン６２を通してパンチングされ、第１および第２の表面６８および７０に対して実質的に直交する位置まで第１および第２の表面６８および７０に対して曲げられる。しかし、空気偏向タブ６６は第１および第２の表面６８および７０に対して任意の角度で曲げられてもよく、これは、所望のように蒸発器システム５０を通る空気流を方向付けるために望ましいことを理解すべきである。にもかかわらず、空気偏向タブ６６の数および配置は各蒸発器システム５０のために具体的に合わせることができ、それにより本願の図１および２に示される不均一な空気流が効果的に取り除かれること、または少なくとも実質的に最少化されることができる。さらに、空気偏向タブ６６の使用は、システム５０の空気側の圧力損失の可能性をわずかに増加させるだけである。すなわち、空気偏向タブ６６はチューブ５２にわたって圧力損失を均等化し、ファン６３の直下のチューブ５２の中央部における空気流をチューブ５２の縁部と（すなわち図３および図４の左右と）平均化する。空気偏向タブ６６はまた、空気流がチューブ５２の屈曲部６０の間のより大きな間隙を直接通過することから、チューブ５２の下部および周囲を通過することができる経路（図４）に向け直し、それにより熱伝達をさらに増加させる。
【００２１】
図３および図４に示すように、空気偏向タブ６６は、第１の表面６８から第２の表面７０に向かう方向に曲げること、または第１の表面６８から第２の表面７０に向かう方向に曲げることができる実質的に長方形または正方形の部材６６である。製造を容易にするために、好ましくは、それぞれのフィン６２の各空気偏向タブ６６は同じ方向に曲げられてもよい。しかし、各フィン６２の個々の空気偏向タブ６６は異なる方向に曲げられ得ることが理解されるべきである。空気偏向タブは、当業者に知られている任意の形状であってようことも理解されるべきである。例えば、丸められた、または三角形形状の空気偏向タブ６６が考えられる。さらに、空気偏向タブ６６は、最初に（すなわち最初の打抜き加工で）１つの形状を有するように形成され、その後、本開示の範囲から逸脱することなく後続の処理ステップを用いて異なる形状を有するように修正されてもよいことが理解されるべきである。例えば、空気偏向タブ６６は、隣接するフィン６２の間の空気流を方向付けるのをさらに助けるために、らせん状すなわちスパイラル状にわずかにねじられてもよく、あるいは個々のタブ６６の一部を除去して、打抜きにより最初に形成した形状とは異なる形状をタブ６６に備えてもよい。
【００２２】
空気偏向タブ６６のサイズは可変であり、熱交換器のサイズ、フィン６２間の間隔、ファン６３のサイズなどを含む多くの異なる因子に基づいて選択することができる。これに関して、空気偏向タブは、４ｍｍ２（例えば２ｍｍ×２ｍｍ）〜１９６ｍｍ２（例えば１４ｍｍ×１４ｍｍ）の範囲の表面積を有することができる。空気偏向タブ６６の好ましい表面積は２４ｍｍ２（６ｍｍ×４ｍｍ）であり、これは蒸発器システム５０に良好な熱伝達の向上をもたらし、且つ容易に製造される。
【００２３】
ファン６３によって蒸発器システム５０のフィン６２を通して空気が引き込まれると、空気偏向タブ６６は空気をあちこち（ｂａｃｋ  ａｎｄ  ｆｏｒｔｈ）に方向付けて、隣接するフィン６２の間に乱流を生じさせる。この効果は、より広いコイル幅で特に有利である。語句「コイル幅」は、図３に示すようにチューブ５２の細長いセクション５８の長さを指す。より大きなコイル幅では、より多くの量の空気がタブ６６によって動かされることができ、それにより蒸発器システム５０と空気の間の熱交換がさらに増大する。したがって、空気が蒸発器システム５０を通して引き込まれると、空気は冷却フィン６２に衝突して蒸発器システム５０の冷却効果および効率を高める。さらに、空気偏向タブ６６は、開口部６４を形成するのと同じ製造ステップで形成することができるので、空気偏向タブ６６を有するフィン６２を製造するコストが低減される。
【００２４】
図４に最もよく示されるように、空気偏向タブ６６は、それぞれのヘアピン６０の間、ヘアピン６０の背後、またはその両方に配置され得る。さらに、想像線で表された空気偏向タブ６６によって示されるように、異なるフィン６２に形成された空気偏向タブ６６はオフセットされることができる。図３に示すように、空気偏向タブ６６の半分を一方向に配向し、空気偏向タブ６６の残りの半分を反対方向に配向することができる。あるいは、入口５４の近くに位置する偏向空気タブ６６を一方向に（すなわち図の左に向けて）配向させることができ、また出口５６の近くに位置する偏向空気タブ６６を反対方向に（すなわち図の右に向けて）配向することができる。他の代替案は、ファン６３の左右の空気偏向タブを一方向に配向し、ファン６３の真下のフィン６２上に位置するタブ６６を反対方向に配向することである。特定のアプリケーションが、熱交換器５０を通る空気の流れを最大化するために空気偏向タブの特別に調整された構成を有するように、空気偏向タブ６６を配向する任意の数の組合せが選択可能であることが理解されるべきである。いずれにしても、空気偏向タブ６６はフィン６２の間の流れ面積を減少させ、これはフィン６２とチューブ５２の細長いセクション５８の周囲との間の空気の速度を増加させ、それによりチューブ５２内の流体と空気の間の熱伝達が増大する。
【００２５】
そのような構成により、蒸発器システム５０のレイノルズ数が減少する。直感的にはそれは熱伝達を減少させるであろうが、熱伝達係数は、レイノルズ数および水力直径の両方の関数である。
ＮｕαＲｅ〜０.５＝（ρＶＤｈ／μ）〜０．５      （２）
【００２６】
ここで、Ｎｕはヌセルト数であり、またＮｕ＝ｈＤｈ／ｋである（ここで、ｋは熱伝導率であり、またｈは熱伝達係数である）。代入および約分すると以下のようになる。
ｈα（ρＶＤｈ／μ）〜０．５Ｋ／Ｄｈ＝（ρＶ／（Ｄｈμ）〜０．５Ｋ      （３）
【００２７】
すなわち、ヌセルト数は水力直径の減少に伴い減少するが、それは２分の１乗だけに過ぎない。一方、熱伝達係数は水力直径の全逆数乗に比例する。それゆえ、水力直径を減少させると、熱伝達係数は増大する。
【００２８】
（実施例）
【００２９】
完成した蒸発器システム５０を試験し、熱伝達の向上を測定した。図５は、レイノルズ数に対する熱伝達の向上の量を示し、且つルーバーやボルテックスジェネレータといった従来のフィン改善策を使用したときの熱伝達の向上の量を示す。図５に見られるように、空気偏向タブ６６の使用によって達成される熱伝達の向上量は、より低いレイノルズ数において、ルーバーやボルテックスジェネレータといった従来のフィン改善策を使用して達成される向上量よりも良好である。
【００３０】
図６は、本開示による空気偏向タブ６６、従来のルーバーおよび従来のボルテックスジェネレータを使用したときに生じる空気側の圧力損失に対する影響を示す。図６に見られるように、偏向タブ６６の使用は、従来のルーバーの使用と比較して空気側の圧力損失に有害ではなく、また空気偏向タブ６６を使用して生じる空気側の圧力損失の量は、従来のボルテックスジェネレータによって達成される圧力損失の量と同様である。タブ６６はボルテックスジェネレータの使用のように最小限の空気側の圧力損失をもたらすが、図５に示すように空気偏向タブ６６によって達成される熱伝達量はボルテックスジェネレータによって達成される熱伝達量よりも実質的に良好であることに留意すべきである。
【００３１】
実施形態の前述の説明は例示および説明の目的で提供されている。網羅的であること、および開示を制限することは意図されていない。特定の実施形態の個々の要素または構成は、一般にその特定の実施形態に限定されず、しかし適用可能であれば相互に交換可能であり、また具体的に図示または説明されていなくても選択された実施形態において使用され得る。同じものが多くの方法で変えられ得る。そのような変形は本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、そのようなすべての修正は本開示の範囲内に含まれることが意図されている。
【図１】
2019529861.tif 000003
【図２】
2019529861.tif 000004
【図３】
2019529861.tif 000005
【図４】
2019529861.tif 000006
【図５】
2019529861.tif 000007
【図６】
2019529861.tif 000008
【国際調査報告】
2019529861.tif 000009
2019529861.tif 000010